建筑结构抗火研究现状及相关抗火问题

建筑结构抗火研究现状及对相关抗火问题

摘要：我国的火灾次数和损失相当严重，据公安部消防局统计，2000年全国共发生火灾189185起，死亡3021人，伤残4404人，直接则产损失15.22亿元。我国的火灾次数和火灾损失都呈上升趋势，我国未来的火灾形势不容乐观。迅速采取有效措施，抑制火灾上升的势头，已成为党、政府和全国人民普遍关心的问题。文章阐述了建筑火灾的危害性，揭示目前我国结构抗火设计的缺点，提出基于计算的结构抗火设计方法，并指明了结构抗火设计方法有待进一步研究的问题。

1、 火灾的概念、发生频度及目前抗火设计的考虑方法

火灾是指失去控制的火在其发展蔓延过程中给人类的生命财产造成损失的一种现象。火灾发生的频度居各种灾害之首，在各类火灾中又以建筑火灾损失最为严重。以2004年为例，我国建筑火灾约发生25万起、死亡约2千6百人、直接经济损失约为17亿元人民币；美国建筑火灾约发生53万起、死亡约3千9百人、直接经济损失约为82亿美元。火灾还是最主要的次生灾害之一，1906年美国旧金山地震引发火灾，大火烧了三天三夜，烧毁520个街区；1923年日本关东地震引发火灾，烧死5.6万人。

黑龙江省火灾形势同样严峻，2004年全省约发生建筑火灾1万5千起，死亡1百余人，直接财产损失约为3千5百万元人民币。1998年佳木斯市华联商厦特大火灾造成的直接经济损失约为3千6百万元人民币，2003年哈尔滨市天潭酒店特大火灾造成33人葬身火海。因此，应对我省建筑结构火灾防范工作引起充分重视，在建筑结构设计中进一步增强抗火意识。

长期以来，建筑物的防火设计主要是由建筑师来完成的。建筑师根据房屋建筑的重要性、使用功能、层数、长度、面积、火灾危险性、疏散、扑救难度以及其主、被动防火系统的设置等情况确定建筑物的耐火等级。然后根据建筑物的耐火等级确定其构件的耐火极限要求，以保证受灾人员转移和消防队员扑救的时间。我国公安部消防研究所根据抗火试验得到了一些不同类型、型号、防火保护的构件所具备的耐火极限，供设计者选用，据此可完成部分建筑结构的抗火设计。

这些抗火试验数据往往只出现在建筑防火规范或防火产品的质量保证书中[1、

2]

。由于缺乏对结构工程师的具体要求，我国在一般的建筑设计中是不进行结构

构件的抗火计算的。然而由于美国“9.11”事件和我国衡阳“11.3”大火等事故中建筑物的坍塌，结构抗火已经越来越受到人们的关注。

1． 建筑结构抗火研究现状

2.1 材料的高温力学性能

在短期高温（比如火灾）下，一般来说普通混凝土抗压强度，在400℃以内可以近似认为不变，700℃时约为其常温时的40％；建筑中常用的普通钢材的屈服强度，在200℃以内可近似认为不变，550℃时约为其常温时的40％；预应力筋用高强钢材条件屈服强度随温度升高将逐渐降低，到400℃时约为其常温时的40％，如图1所示。经历过小于等于500℃高温的普通混凝土在空气中放置一年后其抗压强度基本恢复，经历大于500℃高温后抗压强度比高温下抗压强度要低10～20％[3]；普通钢材所经历的温度在600℃以下力学性能基本恢复；预应力筋用高强钢材所经历的温度在400℃以下时，高温后内力学性能大多可以恢复，经历600℃高温后强度可以恢复至受损前的60％左右。

1.0衰减系数(kT)0.80.60.40.20.00200400 混凝土抗压强度 普通钢材屈服强度 预应力筋条件屈服强度6008001000温度（℃）

图1 高温下材料强度的退化

2.2 温度场

温度在时间域和空间域的分布，称为温度场。火灾下材料的力学性能与温度密切相关，弄清结构构件的温度场是结构抗火分析的前提。火灾时，热量通过辐射、对流的方式传递给结构构件表面，再通过传导向构件内部传递，经过构件背火面又传给另一防火分区。

2.2.1 建筑火灾的模拟

建筑火灾的发展经历包括火灾起始、充分发展、衰灭三个阶段，是一个复杂

的燃烧、传热、传质、湍流过程，与可燃物情况、空间特征、通风情况等许多因素有关。对火灾的模拟可分为经验模拟、半经验半物理模拟、物理模拟三类。经验模拟是通过经验公式来模拟火灾温度随时间的变化，物理模拟是以化学流体力学为基础来模拟火灾过程[4、5]。许多学者致力于探寻火灾规律的研究，美国国家建筑与火灾研究实验室根据物理模拟模型和半经验半物理模拟模型分别开发了FDS和CFAST火灾模拟软件。

2.2.2 标准升温曲线

为了使各抗火试验的结果能够进行比较与利用，许多国家和组织都制订了室内火灾标准升温曲线，各曲线相近，我国采用的是国际标准化协会（ISO）给出的标准升温曲线。前文所述的构件耐火极限即是构件抵抗该标准火作用的时间。

当比较准确地知道影响火灾的参数值时，也可采用参数化升温曲线模拟火灾，然后通过等效爆火时间的概念，将参数化升温曲线与标准升温曲线联系起来。等效爆火时间为按参数化曲线升温与按标准曲线升温对构件造成的损伤程度相同时的标准升温时间，钢结构可取构件温度相同时的时间。标准升温曲线和参数化升温曲线均属于经验模拟。

2.2.3 构件内温度场的计算

构件内的传导过程是一个非线性瞬态问题，求非稳定温度场主要有四种方法即解析法、数值法、图表法、实测法。

一般认为温度场不受应力场的影响，可不考虑受力过程而独立计算。为了简化计算，目前普遍偏于安全地假设构件的温度分布沿长轴方向不变，即简化成无限大平板或无限长梁、柱的一维或二维问题，于是温度场分析均可以以构件截面为研究对象。

钢材是热的良导体，轻型钢构件可假定截面上各点温度相同，然后用简化公式来估算有或没有防火保护情况下的温度值，重型钢构件可假定成温度各自均匀的几个部分。混凝土是热的不良导体，其截面内温度梯度较大，对于复杂几何形状的物体和非线性边界条件下的导热问题很难直接求得其温度场，研究中通常采用数值法求解。许多研究者开发了火灾下构件温度场计算的专业程序，一些通用的有限元软件也可以计算构件温度场，计算结果均较为满意。

混凝土材料中含有液态水、物理吸附水和结晶水，水分的运动及蒸发对构件

温度场有一定的影响，但计算混凝土内部的水分运动及准确分析以多种形式存在的水分相变（这里指液体变成气体）的吸热是十分复杂的，因此目前计算混凝土构件内的温度场时，一般在混凝土热工参数的确定上间接考虑这一影响，而不直接计算。不考虑水分吸热通常是偏于安全的，若在含水率较大的情况下，比如对后张有粘结预应力混凝土结构用的灌浆料，可采用在100℃～200℃之间调大混凝土比热的方法（从100℃开始上升，130℃达到峰值，200℃回到原比热值）来考虑水分的影响。

2.3 结构抗火计算方法 2.3.1 火灾下构件的破坏标志

我国对抗火试验中构件的破坏标志规定如下[6]：对于梁和板，在试验过程中垮坍或试件的最大挠度超过L/20（mm），表明试件达到耐火极限，L为构件跨度；柱子在试验过程中垮坍或轴向变形大于H/100（mm）或轴向变形速率大于3H/1000（mm/min）表明达到耐火极限，H为试件的受火高度；墙在试验过程中垮坍表明达到耐火极限。当承重构件同时起分隔作用时，构件失去完整性或绝热性也表明试件达到耐火极限。完整性判别标准为试件是否出现穿透裂缝。绝热性判别标准为试件背火面的平均温度超过试件表面初始温度140℃或单点最高温度超过初始温度180℃。

1999年国际标准化协会（ISO）[7]对抗火试验中梁、板的破坏标志修改为：最大挠度超过L/30后，挠度达到或超过L2/(400d)（mm）同时挠度变形率达到或超过L2/(9000d) （mm/min），表明达到耐火极限，d为拉、压区边缘间距离；对柱为轴向变形和变形率均达到上述对柱的限值，表明达到耐火极限。

2.3.2 火灾下承载能力极限状态[5

、8、9]

对于承载能力极限状态要求：

Sf?Rf

（1）

式中：Sf－火灾下荷载效应设计值；

Rf－火灾下结构构件抗力设计值。

Sf??GSGk???Qi?fSQki??TSTki?1n

（2）

式中 SGk、SQki、ST－分别为永久荷载、第i种可变荷载和温度作用标准值效应；

γG－火灾下永久荷载分项系数，可取1.0，常温时由可变荷载控制的为1.2、

由永久荷载控制的为1.35； γ

Qi

－火灾下第i种可变荷载分项系数，可取1.0，常温时一般情况为1.4，对标准值大于4kN/m2的工业房屋楼面结构的活荷载为1.3；

ψf－火灾下可变荷载Qi的组合值系数，其取值尚待商榷，美国ACI规范中

取1.0，欧洲Eurocode规范中取小于1的值，我国不同学者的取法不一；

γT－温度作用分项系数，可取1.0。

Rf?kT?mR ?mf（3）

式中 kT－火灾下构件抗力的衰减系数；截面温度均匀的钢结构可直接取材料的

强度衰减系数，对温度不均匀的钢结构和混凝土结构要综合地考虑不同位置材料强度的衰减；

γm－常温下材料的分项系数，钢材分项系数为1.1、混凝土分项系数为1.4，

即对钢结构和混凝土构件抗弯计算时可取1.1，对混凝土构件其它受力形式钢筋部分和混凝土部分分开考虑； γ

mf

－火灾下材料的分项系数，可取1.0；

R－常温下结构构件抗力设计值。

从本质上讲式（1）中高温下荷载及材料分项系数基本均为标准值。

钢结构抗火验算也可采用临界温度的方法，曾经粗略地估计钢结构的临界温度在550℃左右，现在多通过如式（4）所示的荷载水平μ0计算或查表得到构件的临界温度，然后再通过简化方法或查表得到带防火保护的钢材的温度，若小于临界温度则说明结构抗火满足要求。

?0?（4）

Sf?mR?mf

受压钢构件须考虑火灾下的稳定系数，欧洲Eurocode规范在计算μ0中的R时考虑了火灾下的稳定系数。

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